设计步骤

• 电路规格
  • 负载电源 (V_bus)：100V
  • 负载电流 (IS1)：1A 至 10A
  • 输出电压 (V_out)：0.5V 至 5V

• 运算放大器选择

  • 运算放大器共模电压 (VCM) 需要等于或大于总线电压 (V_bus)

  • 为了尽可能减小直流误差，最好使用具有较小失调电压、温漂、偏置电流以及较大 CMRR 和 PSRR 的运算放大器
  • 由于运算放大器的两个输入电压都接近 V_bus，因此运算放大器的最大共模电压范围 (CMVR) 必须等于或大于运算放大器的正电源 V₊
  • 此应用中选择了 LMP7704-SP。该器件支持轨到轨输入。它具有 60μV 的典型失调电压、1 μV/°C 的温漂、1pA 的偏置电流和 130dB 的 CMRR。它还具有轨到轨输入和输出。

• 分流电阻器选型
  • 注意事项：
    1. 增大分流电阻器值可以减小误差，但会增加功耗并降低负载电源电压
    2. 要选择分流电阻器值，选择使用 CSM3637 系列分流电阻器（数据表请参阅设计参考资料 部分）在 MATLAB® 中运行仿真。该系列分流电阻器的容差和温度系数可低至 0.1% 和 10ppm/°C。误差计算 显示了用于计算 MATLAB 中输出误差的所有公式。
       

       如上图所示，分流电阻器 (R_shunt) 和负载电流 (I_load) 用作计算输出百分比误差的输入。结果表明，随着 I_load 减小或 R_shunt 减小，输出误差百分比会增大。因此，在选择 R_shunt 值以满足规格中的最小要求时，负载电流设置为其最小值 (1A)。

       在以下曲线中，为获得小于 0.7% 的平方和根 (RSS) 误差，选择了 10mΩ 分流电阻器。尽管增加 R_shunt 可以进一步提高精度，但它也会增加功率耗散。所选 10mΩ CSM 系列分流电阻的器件型号为 Y14870R00100B9W。电阻器的额定功率高达 3W。降额系数为 0.6（基于 EEE-INST-002）时，设计的分流电阻器功率应小于 1.8W。当最大负载电流设计为 10A 时，R_shunt 的最大功耗为 1W，这满足要求。

       
  • 负载电源电压计算方式：
    

    根据上一个公式，选择 10mΩ (R_shunt) 时，V_load 从 100V 下降到 99.9V。

  • 分流电阻器自热：

    根据分流电阻器数据表中的降额曲线，可以使用以下公式计算自热系数 (θ_SH) 和分流电阻器温度变化 (ΔT)。

    
    

    将前面的公式插入 MATLAB 工具中，可在下图中绘制负载电流与温度变化之间的关系。从曲线中可以看到，满负载电流为 10A 时，分流电阻器温度比周围温度高出约 33.3°C

    

• R₅、R₆ 和 R₃ 选型
  • R₆ 和 R₃ 计算
    

    根据前面的公式，若要获得 0V 至 5V 的 V_out 范围，同时 R_shunt 等于 10kΩ，计算出 R₃ 与 R₆ 的比率为 50。选择 R₅、R₆ 和 R₃ 的值时应考虑 2 个方面：

  1. 为了尽可能降低运算放大器偏置电流的影响，选择的 R₅ 与 R₆ 相同。
  2. 由于 PMOS 的零栅极电压漏极电流 (I_DSS) 的影响，增加 R₃ 和 R₆ 可以降低功耗，但也会使最小 V_out 增大。

  R₆ 设为 49.9Ω，在计算的其余部分确定 R₃ 为 2.49kΩ。在此应用中，选择了型号为 303133 至 303138 的 Vishay® 箔电阻器作为仿真和误差计算的参考。（请参见设计参考资料 部分。）

• PMOS 选择
  1. PMOS 的阈值电压 |V_th| 的绝对值需要足够小，以便运算放大器打开和关闭 PMOS 栅极。
  2. PMOS 的零栅极电压漏极电流 (I_DSS) 定义了栅极电压等于 V_bus 时的漏电流。I_DSS 会设置较低的 V_out 范围。
  3. 如果从运算放大器输出 (V_o) 到栅极的导线电阻过大，PMOS 栅极电容可能会影响稳定性。该电容在 1/ꞵ 曲线中添加了零。如果零点位于 1/ꞵ 和 AOL 交点的左侧，则相位裕度会减小。因此，最好使用小栅极电容。
  4. 根据军用标准，漏源击穿电压必须比 V_bus 大两倍，最低要求 200V 击穿电压。
  PMOS 比较

  参数	IRF9230	IRHE9230	IRHN9250	IRHNJ597230
  D-S 击穿 [V]	–200	–200	–200	–200
  Vgs [V]	-2 至 -4	-2 至 -4	-2 至 -4	-2 至 -4
  零栅极电压漏极电流 [μA]	-25 至 -250	-25 至 -250	-25 至 -250	-10 至 -25
  输入电容 [pF]	700	1200	4200	1344
  安装类型	TH	SMT	SMT	SMT
  尺寸 [mm]	39.37 × 25.53	7.94 × 9.41	16 × 11.55	10.28 × 7.64

  如 PMOS 比较 表中所示，选择 IRHNJ597230 是因为它具有最小的 I_DSS，并且封装尺寸和输入电容相对较小。

• 并联基准和 R2 选型

  本设计中的并联电压基准用于为 LMP7704-SP 运算放大器创建 95V 的虚拟电源电压。LMP7704 的最大电源电流为 4.5mA。因此，所选并联基准的电流范围必须大于 4.5mA。

  并联基准选项列出了用于比较的两个并联基准选项。两个并联基准的电流范围都大于 4.5mA。在这种情况下，只要 V_EE 约为 95V，反向击穿电压容差就不是很重要。因此，即使 TL1431 在总体上具有更好的性能，也最好使用 LM4050QML，因为它的尺寸更小且所需的元件更少。

  并联基准选项

  参数	TL1431-SP	LM4050QML-SP
  反向击穿电压容差 (%)	0.4	1.75
  TID (krad)	100	100
  需要的元件	5	3
  电流范围 (mA)	1 至 100	0.06 至 15
  安装类型	SMT	SMT
  尺寸 (mm)	10.16 × 7.11	6.86 × 10.41

  由于 LMP7704 消耗的最大电流为 4.5mA，并且所选的并联基准至少需要 0.06mA，因此流经 R2 的电流设计为 4.75mA。通过以下公式计算 R2：